Fysikere viser ubegrænset varmeledning i grafen

Forskere ved Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) i Mainz og National University of Singapore har bevist, at grafenes termiske ledningsevne afviger med størrelsen på prøverne. Denne opdagelse udfordrer de grundlæggende love for varmeledning for udvidede materialer.

Davide Donadio, leder af en Max Planck Research Group ved MPI-P, og hans partner fra Singapore var i stand til at forudsige dette fænomen med computersimuleringer og verificere det i eksperimenter. Deres forskning og deres resultater er nu blevet præsenteret i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

"Vi genkendte mekanismer til varmeoverførsel, der faktisk modsiger Fouriers lov i mikrometerskalaen. Nu skal alle de tidligere eksperimentelle målinger af grafens varmeledningsevne genfortolkes. Selve begrebet varmeledningsevne som en iboende egenskab gælder ikke for grafen, i det mindste for patches så store som flere mikrometer ", siger Davide Donadio.

Kan materialekonstanter trods alt ændres?

Den franske fysiker Joseph Fourier havde postuleret lovene om varmefortplantning i faste stoffer. Derfor, varmeledningsevne er en iboende materialegenskab, der normalt er uafhængig af størrelse eller form. I grafen, et todimensionalt lag af carbonatomer, det er ikke tilfældet, som vores forskere nu fandt ud af. Med eksperimenter og computersimuleringer, de fandt ud af, at varmeledningsevnen logaritmisk stiger som en funktion af grafenprøvernes størrelse:dvs. jo længere grafenplaster, jo mere varme kan overføres pr. længdeenhed.

Dette er en anden unik egenskab ved dette meget roste vidundermateriale, der er grafen:det er kemisk meget stabilt, fleksibel, hundrede gange mere rivefast end stål og samtidig meget let. Graphene var allerede kendt for at være en fremragende varmeleder:Nyheden her er, at dets varmeledningsevne, som hidtil blev betragtet som en materiel konstant, varierer, når længden af ​​grafen stiger. Efter analyse af simuleringerne Davide Donadio fandt ud af, at denne funktion stammer fra kombinationen af ​​reduceret dimensionalitet og stiv kemisk binding, som får termisk vibration til at forplante sig med minimal spredning ved ikke-ligevægtsforhold.

Optimal køling til nanoelektronik

I mikro- og nano-elektronikken, varme er den begrænsende faktor for mindre og mere effektive komponenter. Derfor, materialer med praktisk talt ubegrænset varmeledningsevne rummer et enormt potentiale til denne slags applikationer. Materialer med fremragende elektroniske egenskaber, der også er selvkølende, som grafen kan være, er enhver elektronisk ingeniørs drøm.

Davide Donadio, en italiensk-født forsker, allerede beskæftiget sig med nanostrukturer af kulstof, krystallisationsprocesser og termoelektriske materialer under sine studier i Milano, hans forskning opholder sig på ETH Zürich (Schweiz) og ved University of California, Davis (USA). Siden 2010 har han har undersøgt, blandt andre, termotransport i nanostrukturer ved hjælp af teoretisk fysik og simulering af atomers opførsel af stoffer med sin Max Planck Research Group på MPI-P.